的变化呈非倒数式关系，这是由于介质极化滞后所形
成的损耗而引起。
➢ 因此，研究介质损耗的重点就是研究介质 极化形成的动态过程中产生的损耗。
电介质理论及其应用
11
电介质在电场作用下的主要特性
1. 4 介质击穿
在高场强下介质的电导电 流将会成指数式激烈上升，导 致介质进入高导电的非平衡状 态——电介质击穿现象。
而：介质在力场作用下发生的压电效应、在热场作用 下产生的热释电效应、在光照下引起的光电效应、导电性 突变的PTC效应等，则为相反的功能转换特性。
ρv—体电阻率，（·m）； γ—体电导率，（S/m）
U—电压（V）；E—电场强度（V/m)；j—电流密度， (A/m2)
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
电导特性是任何一种材料（无论导体、半导体、 还是电介质）都具有的电学性质，并非电介质所特 有。但不同材料在电导率的大小上却相差很远：
电介质的基本 介电现象
电介质理论及其应用
1
主要内容：
电介质的基本介电现象
1. 电介质在电场作用下的主要特性
电导、极化、损耗、击穿
2. 电介质的功能特性
电—机械、电—热、电—光 电—压敏、PTC
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
1. 电介质在电场作用下的主要特性
电介质：在电场作用下能建立极化的一切物质。 存在较强电场并可发生明显极化现象的材料。 电力线能透过的物质（法拉第1839年）。
例如：一般导体γ=109（S/m ）
绝缘性能良好的电介质γ=10-18（S/m ）
相差1027倍。
导电机理有明显区别，因此对电介质电导需作 专门的讨论。
为什么？
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
1.2 介质极化
定义：极化是电介质中束缚在分 子内部或局部空间不能完全自由 运动的电荷，在电场作用下产生 局部的迁移而形成感应偶极矩的 物理现象。是电介质特有的性质。
特点：在直流电压作用下 有较稳定的电流通过。
表征：用电阻率ρv或电导 率γ来表征材料的电导特
性。
电介质理论及其应用
RU I
G I U
E j
I v
4
电介质在电场作用下的主要特性
在电介质截面积为S、厚度为L的平板型材料 的情况下，则有：
U EL I jS
由此可得：
R
v
(
L S
)
R—电阻，单位为欧姆（）； G—电导，（S）
电介质理论及其应用
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电介质的功能特性
2. 电介质的功能特性
电介质除了具有上述纯粹的电学特性之外，在其电性 和力学性能、热学性能、光学性能之间还存在密切相关的 功能转换特性。
如：介质在电场作用下的电致伸缩效应、电压敏效应、 场致发光效应和电热效应等，反映了介质把电能转化为机 械能、光能、热能的功能效应。
电介质物理：是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科 学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现 象以及由此产生的各种效应。
主要特性：电介质在电场作用下最主要的电特性是极化和电 导，以及在此基础上产生的损耗与击穿现象。
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
1. 1 介质电导
定义：电介质电导是电介 质中存在的少量载流子， 贯穿整个介质而构成“漏 泄电流”的物理现象。
材料介电特性的最主要参数。它们在线性材料中是 与电场强度无关的常数，当电场频率改变时也会改 变；在非线性材料以及在强电场下则还与电场强度 有关。
因此： r 为温度、电场频率、电场强度的函数； v 则为温度、电场强度的函数。
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
1. 3 介质损耗
在交变电压下，由于极化，使介质中 存在电容 电流和电导电流。
电介质：在电场作用下能产生极化现象的材料。
表征：单位体积电介质中形成的总感应电矩——极化强度。
在线性介质中： P 0E
x——介质极化系数，0——真空介电常数，8.854×10-12F/m
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
在工程技术中，通常采用比电容率（或相对介电常数） 来作为介质极化的量度。
对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗 的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数—
—介质损耗角正切tan。
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
定义：
tan
IR IC
I RU
CU
2
Pr Pc
Pr电容介质损耗有功功率， Pc电容无功功率。
➢ 只有电导电流损耗时，tan与成倒数关系。
➢ 极性介质的tan与是有峰值的曲线关系，极性介 质的tan值比非极性介质的tan值大；而且tan随
比电容率是以介质充入真空电容器后，此电容器的电容
量（C）与原真空电容器的电容量（C0）之比来计量。
r
C C0
r 0
r——相对介电常数，它与0的乘积，定义为介质的介电常数
由电工学可得：
r 0Biblioteka D E0 EE
P
r
1
P
0E
电介质理论及其应用
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电介质在电场作用下的主要特性
体电阻率（v）和相对介电常数（r）是表征
性的四大物理参数。
研究四大参数与电介质材料的组成、结构、 含杂等的关系，以及温度、压力、电场性质（频 率、波形等）的影响。
研究成果广泛用于工程领域——成为“电介 质工程”。
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电介质在电场作用下的主要特性
高功率脉冲电容储能技术为例：
W
1 2K
E
2
,....
.
.,K
V t
V
1
i
➢ 电容器的电储能密度W与和E2呈正比
➢ 提高储能密度可采用高ε和高E的电介质材料
➢ 推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展
➢ 而提高介质的耐电强度则是作为电介质绝缘材料 的一个最主要的共性问题。
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电介质在电场作用下的主要特性
涉及的科学与技术问题： ➢ 高储能介质的介电性能——极化、弛豫机理 ➢ 高耐电强度——高介电常数介质的击穿特性 ➢ 结构优化——提高电容器有效储能体积 ➢ 放电特性——快速、大容量、消除电感 ➢ 高可靠性——稳定性与寿命 ➢ 性能评价——测、试、分析技术
主要判据：
dI dU
dU 0 dI
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电介质在电场作用下的主要特性
在均匀电场下：如介质厚度d，介质击穿电压UB
EB
UB d
EB ——介质击穿场强，描述电介质耐电压特性的
重要物理参数，它与温度、电场形式有关。
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电介质在电场作用下的主要特性
r，v，tan和EB 作为描述绝缘介质基本特